发电机失磁保护

发电机失磁保护
一、什么是发电机的失磁及失磁的原因
发电机正常运行过程中，励磁突然全部或者部分消失，称为发电机失磁。

发电机运行过程中突然失磁，主要是由于励磁回路断路所引起。

一般励磁回路的断路，是由于灭磁开关受振动而跳闸、磁场变阻器接触不良、励磁机磁场线圈断线、整流子严重冒火以及自动电压调整器故障等原因所引起。

二、发电机失磁的电气特征和机端测量阻抗（等有功阻抗圆、静稳极限阻抗圆和异步边界阻抗圆）特
征
1、发电机失磁的电气特征
发电机失磁过程的特点：
（1）发电机正常运行，向系统送出无功功率，失磁后将从系统吸取大量的无功功率，使机端电压下降。

当系统缺少无功功率时，严重时可能使电压降到不允许的数值，以致破坏系统稳定。

（2）发电机电流增大，失磁前送有功功率愈多，失磁后电流增大愈多。

（3）发电机有功功率方向不变，继续向系统送有功功率。

（4）发电机机端测量阻抗，失磁前在阻抗平面R——X坐标第一象限，失磁后测量阻抗的轨迹沿着等有功阻抗圆进入第四象限。

随着失磁的发展，机端测量阻抗的端点落在静稳极限阻抗圆内，转入异步运行状态。

2、发电机失磁的机端测量阻抗
发电机从失磁开始到进入稳定的异步运行，一般可分为三个阶段：
（1）发电机从失磁到失步前：发电机失磁开始到失步前的阶段，发电机送出的功率基本保持不变，而无功功率在这段时间内由正值变为负值。

发电机端的测量阻抗为
Z=Us²/2P+jXs+ Us²/2P*ej2¢
¢=tg-1Q/P
式中P——失磁发电机送至无限大系统的有功功率；
Q——失磁发电机送至无限大系统的无功功率；
Xs——系统电抗，包括变压器和线路的电抗。

P、Us、Xs为常数，不随时间变化，而Q随时间变化，则φ也随时间变化，故在机端阻抗平面上是一个圆方程，称为等有功圆，圆心和半径分别为
[Us²/2P，Xs]，Us²/2P
（2）静稳极限点：设发电机的Ed与系统Us的夹角为δ。

当δ被加速拉大到90°时，发电机处于失去静态稳定的临界点。

汽轮发电机殿的测量阻抗为
Z=-j(Xd-Xs)/2+j(Xd+Xs)*ej2¢/2
式中Xd——发电机纵轴同步电抗。

在机端阻抗平面上是一个圆方程，称为静稳极限阻抗圆，其圆周表示不同有功功率P在静稳极限点的机端测量阻抗的轨迹，圆内为失步区。

其圆心和半径分别为
[0，-j(Xd-Xs)/2]，(Xd+Xs)/2
（3）失步后的异步运行阶段：异步运行时机端测量阻抗与转差率s有关，当转差率s由–
∞→+∞变化时，机端测量阻抗变化的轨迹一定在下述阻抗圆内，其圆心和半径分别为
[0，-j(Xd-Xdˊ)/2]，(Xd+ Xdˊ)/2
式中Xdˊ——发电机纵轴暂态电抗。

该圆称为异步边界阻抗圆
对于发电机——变压器组，当发电机失磁后自系统吸取大量无功功率，在联系电抗Xs上有较大的电压降落，致使发电机电压及主变压器高压侧电压下降。

根据分析，若保持变压器高压侧电压为恒定，改变有功功率和无功功率，则机端测量阻抗的轨迹是一个圆，称为等电压圆，圆心和半径分别为{ 0，[Xt-K²(Xt+Xs)]/ }，K /(1- K²)√Xs²-(1- K²) Xt²式中Xt——变压器电抗；
Xs——变压器高压侧与无限大等值发电机之间的电抗；
K——变压器高压侧电压与无限大系统端电压（额定电压）之比，即高压侧电压标幺值。

汽轮发电机的阻抗特性，如图：
1——P=0.7Pn 等有功阻抗圆；２——静稳极限阻抗圆；
３——稳态异步边界阻抗圆；４——Ｋ＝０.８等电压圆。

三、发电机失磁对系统和发电机本身的影响及汽轮发电机失磁运行的条件
1、发电机失磁对系统的主要影响：
（1）发电机失磁后，不但不能向系统送出无功功率，而且还要从系统中吸取无功功率，将造成系统电压下降。

（2）为了供给失磁发电机无功功率，可能造成系统中其他发电机过流。

2、发电机失磁对发电机本身的影响：
（1）发电机失磁后，转子和定子磁场间出现了速度差，则在转子回路中感应出转差频率的电流，引起转子局部过热。

（2）发电机受交变的异步电磁力矩的冲击而发生振动，转差率越大，振动越厉害。

3、汽轮机允许失磁运行的条件：
（1）系统有足够供给发电机失磁运行的无功功率，以不致造成系统电压严重下降为限。

（2）降低发电机有功功率的输出，使之能在很小的转差率下。

在允许的一段时间内异步运行，即发电机应在较少的有功功率下失磁运行，使之不致造成危害发电机转子的发热与振动。

四、发电机失磁后，各指示表计所出现的现象
（1）转子励磁电流突然变为零或接近于零；
（2）励磁电压接近于零，且有转差率的摆动；
（3）发电机电压和母线电压比原来降低；
（4）定子电流表指示升高；
（5）功率因数表指示进相；
（6）无功功率表指示负值；
（7）各表计的指针都在摆动，其摆动频率为转差率的一倍。

五、发电机失磁以后的处理方法
发电机失去励磁以后，将从系统吸取大量的无功功率，发电机的转速将高于同步转速，定子电流所产生的旋转磁场将在转子表面感应出频率等于转差率的交流感应电势，使转子表面产生电流而发热，造成转子表面损耗。

转子为整体式的某些发电机，转子表面损耗不大，失磁后还有可能带70~80%的有功负荷。

一般当发电机失磁后，如果能满足系列条件，即定子电流摆动的平均值不超过额定值，转子表面损耗不超过正常励磁损耗以及系统能够供给足够的无功功率，使发电机的母线电压在失磁后不低于额定电压的90%时，可允许发电机带一定数量的有功负荷无励磁运行30分钟，但所带有功负荷的最大值必须由试验确定。

对于允许无励磁运行的发电机，当发电机失磁以后，应立即减小发电机的负荷，使定子电流的平均值降低到允许值以下，然后检查灭磁开关是否掉闸，如果掉闸应立即合上。

如果此时失磁现象还未消失，应将自动调节励磁装置停用，并调节磁场变阻器增加励磁电流。

若还未恢复励磁，可试用备用励磁机供给励磁。

如果经这些操作以后，仍不能消除失磁，则说明发电机转子已出现故障，必须在30分钟以内停机处理。

六、参考资料
（1）《电气主设备继电保护原理与应用》（王维俭）；了解发电机、变压器、电动机、电容器等的保护配置、保护原理及相关整定计算。

（2）《电力系统继电保护实用技术问答》（国家电力调度通信中心）；了解电力系统继电保护的基础知识、基本原理、有关规程、反错规定等。

（3）《实用电工技术问答》（内蒙古人民出版社）；了解电力系统基础知识、基本原理及如何处理现场问题等。

（4）参考其他有关电厂发电运行的资料。